Au cœur des matériaux cristallins

Les faciès de rupture d’éprouvettes peuvent être classés selon deux critères distincts liés d’une part à leur cinétique, d’autre part à leur observation (voir Fig. ci-après). Lors de sollicitations statiques ou quasi-statiques, les ruptures sont instantanées et traduisent le caractère ductile ou fragile du matériau. Elles sont transgranulaires – c’est le cas de toutes les ruptures ductiles et des ruptures fragiles par clivage - ou intergranulaires, c’est le cas des ruptures fragiles par décohésion - selon que la fissure qui génère la fracture traverse les grains ou les contourne en suivant précisément les joints de grains (voir Fig.). L’analyse des ruptures progressives, caractéristiques en particulier des dégradations en fatigue, en fluage ou encore en corrosion sera proposée ultérieurement.

Au plan macroscopique, les ruptures ductiles sont toujours caractérisées par la présence d’une zone déformée plastiquement. Elles font apparaître une surface matte, souvent en relief et comportent, si la sollicitation est de traction, une zone de striction. On ne distingue pas de zone d’amorçage précise ni de direction de propagation nette. Au plan microscopique, le faciès, généralement orienté, est pourvu de nombreuses cupules et éventuellement d’inclusions. Ces ruptures sont transgranulaires (voir Fig.).

Les ruptures fragiles par clivage, transgranulaires, sont exemptes de déformation plastique. Leur surface est plane et brillante. On ne distingue ni zone d’amorçage ni direction de propagation. À l’échelle microscopique, on note la présence de plans et de rivières de clivage (voir Fig.).

Exempte de déformation plastique, les ruptures fragiles par dé-cohésion présentent un aspect globalement plan et ne font pas apparaître de zone d’amorçage et de direction de propagation. À l’échelle microscopique, elles font apparaître, parce qu’elles sont intergranulaires, des polyèdres juxtaposés correspondant à la surface des grains définissant le faciès de rupture. Des phases fragilisantes peuvent apparaître au niveau de la surface de rupture. Bien souvent, des fissures secondaires sont observables (voir Fig.).

Selon le mode de sollicitation et le caractère ductile ou fragile du matériau, les faciès de rupture d’éléments de structure sollicités en traction, compression, flexion ou torsion sont spécifiques, en relation avec le tenseur des contraintes caractéristique de chaque type de chargement.

• en traction :

  • pour un matériau ductile : les contraintes de cisaillement sont responsables de la rupture qui s’amorce près du centre et se propage vers la surface, en révélant le cas échéant des lèvres de cisaillement,

  • pour un matériau fragile : la rupture est perpendiculaire à l’axe de sollicitation en traction. En l’absence de concentration de contrainte \(K_t\), la distribution des contraintes est homogène et l’amorce est aléatoire.

• en compression :

  • pour un matériau ductile: les contraintes de cisaillement sont responsables de la dégradation mais il y a rarement rupture (mise en tonneau),

  • pour un matériau fragile : la rupture est perpendiculaire à l’axe de la direction des contraintes normales maximales, parallèle à l’axe de compression et l’amorce est aléatoire.

• en torsion :

  • pour un matériau ductile : les contraintes de cisaillement sont responsables d’une déformation importante et la rupture est perpendiculaire à l’axe de torsion, un vrillage traduisant l’occurrence d’une déformation plastique importante est généralement observé sur le corps de la pièce,

  • pour un matériau fragile : la rupture, de type hélicoïdal, se produit à \({45}{°}\) de l’axe de torsion, elle est perpendiculaire à l’axe de la direction des contraintes normales maximales, parallèle à l’axe de compression et l’amorce est aléatoire,

  • dans les deux cas, la rupture s’amorce en surface en relation avec la distribution des contraintes.

• en flexion :

  • il s’agit ici d’une combinaison de traction et de compression, la fissure s’amorce sur la fibre en traction,

  • pour un matériau ductile: la déformation plastique est importante et le faciès est généralement peu plan,

  • pour un matériau fragile : la rupture se fait sans déformation plastique et le faciès est excessivement plan,

  • l’exemple le plus probant de faciès de rupture en flexion est vraisemblablement celui d’une éprouvette en acier rompue au mouton pendule, de part et d’autre de la température de transition ductile-fragile.